高功率平面波导激光放大技术研究

发布时间：2019-01-20 12:24

【摘要】：随着激光技术的广泛应用,目前研究人员一直在高功率以及高能量激光方面寻求突破。平面波导结构结合了片状介质和光纤的优点。平面波导具有板条激光的高输出功率和高散热效率,同时也具有光纤激光高能量转换效率的特点,而且它的体积非常小,能够实现激光系统小型轻量化,克服了目前高能全固态激光面临的热效应严重、效率偏低、体积庞大等问题,近年来是高能、高功率全固态激光的主要发展方向之一本课题是基于中国工程物理研究院高能激光科学与技术重点实验室课题《高能固体激光效率提升技术研究》,以平面波导激光器为研究对象,针对固体激光器的激光增益材料和结构特点,旨在探索平面波导激光高效率、高亮度的性能研究,开展平面波导激光放大技术实验验证。主要研究内容包括：1.介绍了平面波导激光器的进展,涵盖了平面波导结构的发展,工作波段的发展,以及国内外高功率平面波导激光器的发展情况。指出与其他高功率、高能量固态激光器相比,平面波导激光器在泵浦耦合、散热等方面具有独特的优势,进而提出本课题的目的意义。2.提出了平面波导光波导理论基础和激光理论基础。其中光波导理论包括,从几何和波动光学的角度,分析了波导内光线传播方式,以及不同波导结构对光波模式(TE模和TM模)的影响；激光理论包括速率方程和增益的计算分析,进而得到不同设计下,平面波导激光器理论上可以获得的输出功率大小。3.建立了端面泵浦平面波导激光介质的热效应分析模型。通过热传导方程计算得出了介质内部温度分布和应力分布情况。通过改变波导芯区及整体厚度,分析不同芯区厚度,波导厚度对泵浦功率极限值的影响。计算分析表明,波导厚度和芯层厚度越厚,波导能承受的功率密度越低。最后,用有限元专业软件数值给出模拟仿真结果,并与解析结果比较确定其可靠性,确保实验在安全范围内运行。4.开展了高功率平面波导激光放大实验方案设计与实验。采取平面波导端面切角措施,有效解决了自发辐射放大(ASE)和寄生振荡(PO);在准连续工作机制下,注入种子光82.2 mJ,获得了327 mJ的放大输出,是目前国际上,采用非水基流延成型和固相反应烧结工艺制备的,YAG/Nd:YAG/YAG陶瓷平面波导激光放大器获得的最大输出。在连续工作机制下,在注入种子光功率为250 W,泵浦功率940.6 W时最大获得了537 W的放大输出,是国内采用Nd:YAG平面波导获得的最大功率输出。具体包括：方案设计包含：根据波导尺寸,设计耦合系统元件的参数,并理论分析不同入射角度对泵浦吸收效率的影响,选取最佳入射角度。平面波导其具有高储能密度,因此需要高亮度的种子光来抑制放大过程中的ASE和寄生振荡效应。设计双棒串接Nd：YAG谐振腔作种子源,重复频率100 Hz,脉冲宽度250μs,输出单脉冲能量233 mJ,注入波导通量达到23.3 J/cm2。单元实验与整体方案实验验证：1)平面波导导波特性实验：提出整体尺寸1mm×10mm×60 mm,芯层尺寸0.1mm×10mm×50mm的波导结构,通过分析近场和远场光斑,验证几种不同材料波导的导波特性。分析指出晶体波导导波特性要优于同尺寸的陶瓷波导。2)高效泵浦耦合系统实验：搭建二极管叠阵特性参数测试装置,根据泵浦源的光谱特性和输出特性,选取合适的耦合元件参数,并实验验证不同入射角度对泵浦吸收效率的影响。3)高亮度种子光实验：搭建双棒串接Nd:YAG种子源谐振腔,获得了233mJ单脉冲能量输出,光束质量M2因子分别为1.82(x)和1.65(y),满足设计要求。4)平面波导激光放大器实验：分别在单端泵浦和双端泵浦方式,准连续和连续工作机制下开展激光放大实验。在准连续工作机制下,注入种子光82.2 mJ,获得了327 mJ的放大输出,重复频率100 Hz,脉冲宽度250μs,对应峰值功率1308 W,单程增益G=4,提取效率是56%。这个结果是目前国际上,采用非水基流延成型和固相反应烧结工艺制备的,AG/Nd:YAG/YAG陶瓷平面波导激光放大器获得的最大输出,相关成果发表在《Chinese Optics Letters》2016年第5期上。准连续放大实验的有效进行验证了理论分析的准确性,为连续工作体制奠定基础。连续工作机制下,在注入种子光功率为250 W,泵浦功率940.6 W时最大获得了537 W的放大输出,此时单程放大增益G=2.1光光效率达到30.5%,是国内采用Nd:YAG平面波导获得的最大功率输出。最后针对放大实验过程中出现的自发辐射放大(ASE)和寄生振荡(PO)现象,通过荧光实验给出了合理的解释,提出波导端面切角的抑制措施,并进行了实验的验证。
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【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN248

【参考文献】